Fotoni individuati da lampi di raggi gamma

Le esplosioni di raggi gamma sono alcuni degli eventi più energici dell'intero universo, ma fino ad ora, il meccanismo di questi deflussi è rimasto qualcosa di misterioso.

l'impressione dell'artista di un jet relativistico che spezza la nostra di una stella massiccia. Il pannello di primo piano mostra come l'espansione del getto di scoppio di raggi gamma consente ai raggi gamma (rappresentati da punti bianchi) di sfuggire. I punti blu e giallo rappresentano rispettivamente il protone e gli elettroni all'interno del getto (NAOJ).

Gli scienziati del cluster RIKEN per la ricerca pionieristica e i collaboratori hanno utilizzato simulazioni per dimostrare che i fotoni emessi da lunghi lampi di raggi gamma - uno degli eventi più energici che si verificano nell'universo - hanno origine nella fotosfera - la parte visibile del " getto relativistico ”che viene emesso dalle stelle che esplodono.

Un'illustrazione che mostra il tipo più comune di esplosione di raggi gamma che si verifica quando una massiccia stella collassa, forma un buco nero e fa esplodere getti di particelle verso l'esterno quasi alla velocità della luce. (NASA / GSFC)

Le esplosioni di raggi gamma sono il più potente fenomeno elettromagnetico osservato nell'universo, rilasciando quanta energia in un secondo o così come il sole rilascerà per tutta la sua vita. Sebbene siano stati scoperti nel 1967, il meccanismo alla base di questo enorme rilascio di energia è rimasto a lungo misterioso. Decenni di studi hanno infine rivelato che i lunghi scoppi - uno dei tipi di scoppi - provengono da getti relativistici di materia espulsi durante la morte di stelle massicce. Tuttavia, esattamente come i raggi gamma vengono prodotti dai getti è ancora velato nel mistero oggi.

L'attuale ricerca, pubblicata su Nature Communications, è partita da una scoperta chiamata relazione Yonetoku: la relazione tra l'energia di picco spettrale e la luminosità di picco dei GRB è la correlazione più stretta trovata finora nelle proprietà dell'emissione di GRB - fatta da uno dei suoi autori . Fornisce quindi la migliore diagnostica finora per spiegare il meccanismo di emissione e il test più rigoroso per qualsiasi modello di lampi di raggi gamma.

Per inciso, la relazione significava anche che i lunghi lampi di raggi gamma potevano essere usati come una "candela standard" per misurare la distanza, permettendoci di scrutare ulteriormente nel passato rispetto alle supernovae di tipo 1A - comunemente usate, nonostante siano molto più deboli delle esplosioni. Ciò consentirebbe di ottenere approfondimenti sia sulla storia dell'universo che su misteri come la materia oscura e l'energia oscura.

Per un attimo, una supernova di tipo 1a sorpassa un'intera galassia. Questa luminosità li rende una 'candela standard' perfetta - un oggetto che può essere utilizzato per misurare le distanze astronomiche (NASA / ESA.)

Utilizzando simulazioni al computer eseguite su diversi supercomputer, tra cui Aterui dell'Osservatorio astronomico nazionale del Giappone, Hokusai di RIKEN e Cray xc40 dell'Istituto di fisica teorica di Yukawa, il gruppo si è concentrato sul cosiddetto modello di "emissione fotosferica" ​​- uno dei modelli di punta per il meccanismo di emissione dei GRB.

Questo modello postula che i fotoni visibili sulla terra siano emessi dalla fotosfera del getto relativistico. Man mano che il getto si espande, diventa più facile per i fotoni fuggire dall'interno, poiché sono disponibili meno oggetti per disperdere la luce. Pertanto, la "densità critica" - il luogo in cui diventa possibile la fuga dei fotoni - si sposta verso il basso attraverso il getto, verso materiale originariamente a densità sempre più elevate.

Per testare la validità del modello, il team ha iniziato a testarlo in modo da tenere conto delle dinamiche globali dei getti relativistici e del trasferimento di radiazioni. Usando una combinazione di simulazioni idrodinamiche relativistiche tridimensionali e calcoli di trasferimento di radiazioni per valutare le emissioni fotosferiche di un getto relativistico che fuoriesce da un enorme inviluppo di stelle, sono stati in grado di determinare che almeno nel caso di GRB lunghi - il tipo associato a tale stelle massicce al collasso - il modello ha funzionato.

Il confronto dei risultati di Ito con la relazione Yonetoku osservata (Ito)

Le loro simulazioni hanno anche rivelato che la relazione Yonetoku potrebbe essere riprodotta come conseguenza naturale delle interazioni jet-stellari.

Hirotaka Ito del Cluster per la ricerca pionieristica, dice; "Ciò suggerisce fortemente che l'emissione fotosferica è il meccanismo di emissione dei GRB."

Continua: “Mentre abbiamo chiarito l'origine dei fotoni, ci sono ancora misteri riguardo al modo in cui i getti relativistici stessi sono generati dalle stelle che collassano.

"I nostri calcoli dovrebbero fornire preziose informazioni per esaminare il meccanismo fondamentale alla base della generazione di questi eventi tremendamente potenti".

fonti

Ricerca originale: http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-09281-z

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